Implementação fotônica e teoria da aceleração generalizada. um Esquema de uma rede unidimensional composta por guias de onda acoplados evanescentemente com trajetória de flexão combinada. b Esquema de uma rede Floquet reduzida no quadro de coordenadas transformado. c Imagem de microscópio óptico transversal da amostra fabricada. Barra de escala, 30 μm. d Imagem de microscópio óptico de visão superior da amostra fabricada com modulação harmônica. Barra de escala, 30 μm. e Representação de F (z ) deslocamento do vetor de onda induzido de acordo com a teoria da aceleração generalizada. f z mudança dependente do momento transversal de Bloch para vários casos específicos correspondentes a BOs convencionais (A = 0, linha sólida azul), FBOs (Λ BO = 3Λ FL , linha tracejada laranja), FBOs (3Λ BO = 4Λ FL , linha tracejada vermelha) e espalhamento (Λ BO = Λ FL , linha sólida cinza). Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01419-z Recentemente, a exploração das oscilações de Bloch (BOs) em sistemas quânticos acionados periodicamente, equivalentes aos "sistemas Floquet", atraiu enorme atenção porque suas características exóticas são profundamente distintas daquelas dos sistemas estáticos. Especificamente, dois tipos de oscilações do tipo Bloch foram investigados:oscilações quase-Bloch (QBOs) e oscilações super-Bloch (SBOs).
No entanto, a conexão inerente entre estes BOs existentes em sistemas Floquet permanece indefinida, e uma teoria geral sobre BOs em sistemas Floquet precisa ser desenvolvida. Além disso, como chave para desvendar o mecanismo do transporte subjacente, a observação visual de BOs em sistemas Floquet permanece largamente inexplorada em experiências.
Em artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas liderada pelo professor Xuewen Shu da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong, China, e pelo professor Xiankai Sun da Universidade Chinesa de Hong Kong, RAE de Hong Kong, China generalizou as oscilações de Bloch para redes fotônicas Floquet.
Isso levou às "oscilações fotônicas de Floquet-Bloch (FBOs)", que se referem a oscilações fotônicas de Bloch redimensionadas com um período de múltiplo menos comum estendido do período de modulação e do período de oscilação de Bloch. Os FBOs fotônicos ocorrem para modulação Floquet arbitrária quando a razão racional entre o período de modulação Floquet e o período de oscilação de Bloch não é inteira. Sob esta estrutura, os QBOs e SBOs convencionais podem agora ser unificados e tratados como dois casos especiais de FBOs.
Ao empregar microscopia de fluorescência de guia de ondas, eles visualizaram diretamente a respiração e os movimentos oscilatórios de FBOs fotônicos em matrizes de guias de ondas escritas a laser de femtossegundos. Significativamente, eles investigaram experimentalmente duas propriedades exóticas de FBOs fotônicos, nomeadamente o espectro fractal e o tunelamento fracionário de Floquet.
Com esse insight, eles sugeriram que os FBOs fotônicos constituem um fenômeno de transporte único por si só, além de serem uma generalização dos BOs existentes nos sistemas Floquet.
Para visualizar as oscilações de Bloch em uma rede fotônica de Floquet, eles consideraram um conjunto de guias de onda ópticos de curvatura circular com modulação periódica.
A evolução espacial da luz de baixa potência na rede proposta é análoga à evolução temporal de elétrons não interagentes em um potencial periódico sujeito a um campo elétrico. A coordenada de propagação z atua como "tempo" e a curvatura dos guias de onda é percebida como uma força efetiva de campo elétrico agindo sobre as ondas de luz. A trajetória de flexão circular introduz uma força de campo elétrico constante responsável pelos BOs.
A trajetória de flexão periódica introduz uma força de campo elétrico periódica, que serve como modulação Floquet. Portanto, a rede proposta pode suportar uma realização experimental de oscilações de Bloch em uma rede Floquet fotônica. Nos experimentos, eles implementaram excitação de luz visível por um laser He-Ne (633 nm) e capturaram sinais fluorescentes (650 nm) emitidos pelos guias de onda.
O sinal fluorescente de visão superior registra os detalhes intrincados da evolução contínua, o que permite uma análise quantitativa precisa. Para excitações de feixe único e de feixe largo, as observações visuais de BOs em redes fotônicas Floquet e as análises quantitativas correspondentes apresentam excelente concordância com os respectivos resultados simulados.
As oscilações fotônicas de Floquet-Bloch são essencialmente um fenômeno coerente que pode ser prontamente estendido a diversos sistemas físicos, como átomos ultrafrios, redes de frequência sintéticas e caminhadas quânticas. A observação visual dos FBOs fotônicos é uma chave para a compreensão do mecanismo de transporte subjacente, que tem um impacto significativo tanto na pesquisa fundamental quanto nas aplicações práticas.
Para pesquisas fundamentais, a simples visualização do fenômeno e o alto controle da estrutura fabricada permitem uma exploração mais aprofundada de um ramo de fenômenos fundamentais envolvendo FBOs, como a interação entre FBOs e redes binárias, redes não-Hermitianas e não linearidade óptica.
Para aplicações práticas, a manipulação demonstrada de ondas ópticas pode ser implementada em diversos sistemas de ondas e pode oferecer novos insights sobre amplas aplicações em manipulação de ondas, processamento de sinais, conversão de frequência de alta eficiência e medição de precisão.
